基于科學思維的初中物理問題化學習作業設計

馬海珠 上海市教育學會寶山實驗學校

科學思維是物理學科核心素養中的關鍵技能，基于科學思維的問題化學習作業設計就是針對特定認知行為、特定認知水平和不同類型問題相匹配，以知識為載體，以問題為導向，體現思維的過程性和遞進性，不同層次學生解決不同類型問題，而問題解決的過程就是發展思維水平的過程，促進思維水平從記憶、理解、評價到創新的不斷提高。

“雙減”背景下，促使作業減負增效成為亟待研究和實踐的課題，讓作業成為提升學科基礎應用能力、發展學科核心素養的重要載體。通過相應的內容主題、知識專題，在校本層面設計、開發序列化、結構化的校本作業，旨在通過一系列基于問題化學習的思維活動，為學生實現高質量的自主學習、個性化學習和深度學習提供支持。

一、走進作業

（一）形勢與政策——作業是撬動教學改革的支點

2021 年上海發布《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的實施意見》對作業管理、設計質量、作業總量、指導方法等給出建議。統計近五年教育相關部門出臺的有關教育文件，每一次都對作業提出不同的要求和意見，可見作業是撬動教育改革的支點。

（二）作業與作用——作業是實現課程育人價值的重要載體

作業，一般指學校教師依據一定目的布置并且由學生利用非教學時間完成的學習任務。作業是實現課程育人價值的重要載體，是提升教育質量的重要“抓手”，是社會認識和理解教育的重要途徑，更是影響學生學習興趣的重要因素。做作業的過程，是學生從教師指導下的課堂教學向沒有教師指導的自主學習過渡的過程，需要學校和教師給予充分重視。站在一線基層老師視角，作業至少具有以下三個層面的作用：

基礎層面任務：學科基礎知識與技能的落實。作業實踐活動是以學科基礎知識的知曉和基本技能的習得為出發點，通過設計相應知識與技能的直接習得與訓練活動，達到讓學生落實“雙基”的目的。

能力層面任務：學科基礎應用能力的培養。作業實踐活動是以知識的理解與簡單應用為出發點，通過設計簡單的問題情景（語境）和提出解決的問題，讓學生在簡單情景（語境）的問題解決中，達到提高學生對知識的理解和基礎應用能力的目的。

價值層面任務：學科核心素養的養成與發展。作業實踐活動是以學科核心素養養成與發展為出發點，通過設計實際問題情景（語境），讓學生以實際問題解決的實踐主動學習，促進學科核心素養的養成和發展。

二、科學思維

從物理學視角來說，科學思維是對客觀事物的認識方式，它包括模型建構、科學推理、科學論證與質疑創新。四要素對應的學業水平按順序陳述如表1 所示,五個層級水平都包含四要素的分階內容。

表1 科學思維五級水平

對照課程標準可知，相比較物理觀念、科學探究與科學責任等三個素養,科學思維素養的培育更具有實操性，容易落實到每一節的課堂教學當中，而其他三個素養更具有綜合性，需要長期的訓練、積累與內化。另外，四大素養相互融通，科學思維形成過程中也有助于其他素養的提升。由此，科學思維的滲透是有效提升初中生分析與解決物理問題能力的核心，是實現物理校本作業科學性、有效性與發展性的關鍵，是物理校本作業提質增效的突破點。

三、設計實踐

樣例1：變式性問題學科能力短作業

如圖1所示，兩個電阻R1和R2是____聯。電源電壓保持不變，當滑片向右移動時，電阻R2將______，在空格處選填各電表的變化情況，均選填“變大”、“不變”或“變小”。

圖1

變式1：電流表A示數______；電壓表V示數______；電壓表V1示數______；電壓表V2示數______。

變式2：電壓表V1示數與電壓表V2示數之和_____。

變式3：電壓表V 示數與電壓表V2示數之差_____；電壓表V示數與電壓表V1示數之差_____。

變式4：電壓表V 示數與電流表A 乘積；電壓表V1示數與電流表A1乘積_____。

變式5：電壓表V 示數與電流表A 示數比值_____；電壓表V1示數與電流表A1示數比值_____；電壓表V1示數的變化量與電壓表V2示數變化量比值_____；電壓表V1示數的變化量與電流表A1示數變化量的比值_____。

樣例2：遞進性問題學科能力短作業

在如下圖所示的電路中，電源電壓為24 伏保持不變，電阻R1的阻值為10 歐，滑動變阻器R2上標有“50 歐2安”字樣。閉合開關S，移動變阻器的滑片P，為保證電路安全工作，求：變阻器R2接入電路的最小電阻值。

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

專題復習時如何設計不同層次的題目，以問題為指向，結合目標要求、問題類型與認知能力相匹配的原則，多維度建構問題，由此實現由點到線、由線到面的整合，從而優化知識結構，優化認知方式，促進學生思維水平的不斷升級。思維水平依據《普通高中物理課程標準（2017 年版）》中的劃分方法，結合初中物理的實際特點，以串聯電路中滑動變阻器阻值相關物理量的計算為例，其思維水平劃分見表2。

表2 “串聯電路動態變化”科學思維水平劃分

同一個題干，通過不斷改變電路圖，逐漸增加難度，指向不同思維層次，這樣學生問題解決的過程正是通過思維活動的過程，也是提升思維品質的過程。

樣例3：應用性問題 學科長作業

根據相關考古資料，我國在戰國時期就出現了最早的燈具，各種燈具種類繁多，經濟實用，造型別致，設計新穎，具有很高的藝術性，1968 年出土的長信宮燈便是其中的優秀代表。臺燈在生活中被廣泛實用，成為生活中的好伙伴，而調光臺燈由于其優越的性能更加受到人們的青睞。

請你根據學過的電學知識，設計制作一個調光臺燈，能體現美觀和實用相結合的創意或制作。

表3 制作調光臺燈長作業評價表

樣例4：拓展性問題指向素養的學科短作業

變阻器在日常生活中的應用非常廣泛，請你通過網絡、書籍等方式，學習不同的變阻器在汽車的油量表、臺秤壓力器及調亮度的電燈、調熱度的電鍋和調轉動強度的電風扇等方面利用。如圖8 所示是某同學設計的風力測定儀，O 是繞著轉動的固定點，OC 是金屬桿，其下端連接面積較大的受風板，一段同種材料制成的粗細均勻圓弧形電阻片AB，金屬桿與圓弧形電阻片的接觸點為P點，R0為定值電阻。無風時，金屬桿OC 在重力作用下豎直，風力越大，OC桿偏離豎直方向的角度越大。

圖8

（1）圓弧形電阻片AB 與金屬桿OC 組合起來，相當于是（實驗器材名稱）_______。

（2）風力越大，電流表示數越_______。

（3）小王同學認為定值電阻R0對該風力測定儀測量風速沒影響，可以不用定值電阻R0，你是否同意這種觀點，并說明理由。

（4）如果要提高風力測定儀的靈敏度，你有什么建議？

科學思維：①模型建構②科學推理③科學論證④質疑創新

表4 作業屬性統計表

我校作業分為六類，分別是：1.學科雙基短作業；2.學科能力短作業；3.指向素養的學科短作業；4.指向素養的跨學科短作業；5.學科長作業；6.跨學科長作業。

四、設計特點

（一）序列化、結構化的作業設計展現思維遞進性

學生學會分析電路變化趨勢和特點，經過邏輯推理，建立串聯電路中電流、電壓與電阻之間的邏輯關系，再通過比對滑動變阻器的最大電流、滑動變阻器的最大阻值和電表的量程等因素，尋找解題的突破口，最終將復雜的串聯電路動態變化計算轉化為簡單的等效串聯電路計算，從而分解難點，建立解決問題的問題系統或思維流程，提升邏輯推理能力。在解決遞進性問題時，調動學生儲備的相關知識，結合相關聯題目，歸納不同題目解題的策略，深化對物理規律的理解，提升知識的整合能力。學生在解題過程中，尋找一題多變、多題歸一的邏輯關系，通過比較、推理論證和歸納尋找解題的規律，促進思維水平從記憶、理解到分析綜合的不斷提高。

在進行作業設計時，要注意根據課堂學習的知識要點和學科特點，盡可能選擇需要學生理解所學物理知識的要點、把握知識間的內在聯系、形成知識的網絡結構和掌握解題方法的習題作為作業設計重點，即要貼近學生的學習水平和認知特征，又要重視學科特點和內在邏輯關系。

（二）體現（真實問題情境下）物理解題思維過程性

學生解決實際問題時的效能，首先取決于學生對情境要素的解構力和對知識理解的深度與廣度，其次取決于學生對情境和知識的建構力，即情境中的要素對接相關物理知識，將情境要素轉化為物理相關條件，連接適當的物理內容。通常物理解題的基本步驟是:審題—選擇對象—劃分過程—分析對象與過程—選擇物理規律—建立與求解方程。基于真實問題情境下的物理解題思維如圖9 所示，與傳統解題并無相悖，增加了情境化試題到非情境化試題的轉化步驟，即結合已有的物理知識(經驗)，對問題情境進行分析、判斷、簡化與抽象，轉化為熟悉的非情境化試題。

圖9

在作業設計時，引導學生思考與生活相關的問題，按照一定的邏輯關系層層推進，形成問題鏈或問題系統（樣例4 解題問題系統，如圖10 所示），教師應為學生科學思維層次搭設合適的腳手架，使學生所學知識與方法不斷遷移、升級和整合，逐步實現學習者的科學思維由識記、理解和掌握走向分析、評價和創造能力的提升。

圖10

通過建模、解釋的思維訓練，建立物理概念、理解物理規律。有效的思維訓練，要求教學、作業和評價的一致性，第一，要準確把握課程標準；第二，設計作業時根據課程標準，對教學內容進行分解、整合與優化，使教學內容與學生學習特點、認知能力和思維水平相匹配；第三，把握作業的內容、形式、數量和難度等，防止內容重復，分層增加難度，重視作業形式多樣化，發展學生多元智能，堅持學生發展為本的育人理念。引導學生運用類比、分析、推理、轉化、論證、建模等邏輯思維方法，持續培養學生科學思維。從而通過物理作業來發展學生科學思維，既減輕學生學習的過重負擔，同時也提高學生物理學科核心素養。

總之，基于科學思維的作業設計注重課本性、針對性、層級性、遞進性、趣味性與發展性原則，在內容上注重教材解讀、知識遷移應用與真實問題解決;在能力培養上不僅注重關鍵知識與能力的夯實，而且強調科學思維素養的提升。

在充分洞悉學情和課程標準的基礎上，作業的設計就有了方向，這個基本方向就是：以知識為載體，以問題為導向，訓練思維方法，以方法為載體，發展物理學科核心素養。一方面要高度重視知識(基本概念與規律)的深度理解，另一方面要重視以知識為載體的思維方法。另外，還要重視知識與方法融會貫通，解決生產與生活中遇到的真實問題，即從科學思維素養培育的角度，科學設計校本作業。